17 из 211 белков Claude связались с токсинами скорпиона

Anthropic 20 октября выложила 211 белковых дизайнов против нейротоксинов скорпионов вместе с лабораторными данными по каждому. Критериям связывания отвечают 17 - это счёт по четырём критериям; в техническом отчёте, вышедшем вместе с постом, есть и более строгий, 15, если учитывать второй контроль на неспецифическое прилипание, который в критерии не вошёл.

Задачу принесла инвестиционно-исследовательская фирма Citrini Research, и вопрос звучал так: может ли группа мотивированных неспециалистов с помощью ИИ взяться за настоящую проблему в здравоохранении. В посте Anthropic напоминает, почему выбрали скорпионов: укусы получают не менее 1,2 миллиона человек в год, больше 3 250 из них умирают, в основном дети в регионах со слабым доступом к медицине, а новые препараты дорого делать и почти невозможно окупить. Нейтрализацию яда в клетках компания не проверяла и антивеномом результат не называет.

64 часа и 318 484 дизайна

Исходный промпт задавал цели, инструменты проектирования и предсказания структуры, правила новизны, скоринга и фильтрации. Остальное модель решала сама: искала структуры токсинов в Protein Data Bank и базе AlphaFold, выбирала по пять горячих точек на каждом токсине - позиций аминокислот, за которые дизайн должен цепляться, - ставила пороги качества, которые дизайн обязан пройти, и решала, насколько опираться на каждый из доступных инструментов.

Из инструментов, перечисленных в промпте, модель использовала 12 (в списке их было 13, восемь обязательных) и сгенерировала 318 484 дизайна, отбрасывая всё, что походило на токсин или на известный белок. Дальше 553 052 пары «дизайн - токсин» она сложила каждую в один комплекс и предсказала их структуру. Через 64 часа после первого промпта на выходе был список из 180 дизайнов. Кампания съела порядка 10 000 часов H100 на Modal, до примерно 350 контейнеров одновременно.

Первые 24 часа Claude работал без вмешательства. Дальше пошли четыре уточнения, в основном про биндер сразу на несколько токсинов, и большую часть итоговых 180 дизайнов - включая самый сильный, Cn2-B1 - модель отобрала только после третьего из них. Последовательности в Twist Bioscience Claude отправил сам, письмами с пометкой, что их писала модель. Потом команда вместе с ним добавила ещё 31 дизайн, так и вышло 211.

Длинные автономные прогоны у Anthropic идут серией: в октябре внутренняя модель за один 53-часовой прогон сократила число гейтов квантовой схемы в 17 раз.

Пять токсинов, одна складка

Целей было пять, по четырём регионам: Cn2 (Мексика), Ts1 (Бразилия), AaH I и AaH II (Северная Африка), LqhIII (Ближний Восток). Опасные для человека нейротоксины скорпиона садятся на натриевые каналы - крупные белки в мембране нервных клеток, через которые те подают сигнал. Канал сбивается, нервы срабатывают не вовремя, в кровь уходит много адреналина и других стрессовых веществ; в тяжёлых случаях это кончается отёком лёгких и сердечной недостаточностью. Дизайны нацеливали ровно на тот участок токсина, которым он цепляется к каналу.

Нынешние антивеномы делают на лошадях: яд выдаивают у тысяч скорпионов, им иммунизируют животных, из крови выделяют антитела. Месяцы работы, высокая цена и обычно узкий охват - несколько нейротоксинов.

Пять токсинов подобрали как трудный тест на мультитоксиновый дизайн: складка у них общая, а последовательности совпадают друг с другом лишь на 26-62%. Поэтому и типов биндеров просили четыре: против каждого токсина отдельно, против β-пары Ts1 и Cn2, против α-тройки AaH I, AaH II и LqhIII и против всех пяти сразу. Расчёт простой: чем меньше молекул в универсальном коктейле, тем он дешевле и тем меньше привязан к региону.

Две лаборатории, один критерий

Дизайны проверяли два подрядчика, в разных форматах. Adaptyv Bio наработала белки в бесклеточной системе - на рибосомах и ферментах, вынутых из бактерий, без живых клеток. Twist Bioscience собирала их в клетках человеческой почки как сшивку с Fc, «ножкой» антитела. Связывание обе мерили поверхностным плазмонным резонансом: токсин течёт над дизайном, прибор в реальном времени видит, как быстро тот садится и отцепляется, и из этого считается константа диссоциации KD - чем ниже, тем прочнее связывание.

Биндером Anthropic считала дизайн, который попал в хиты в обеих лабораториях, показал связывание в каждой повторности, в каждом замере дал KD не хуже 1 мкМ и не дал сигнала против CLEC12A, неродственного человеческого белка, взятого как контроль прилипания. Таких набралось 17: семь против Cn2, четыре против AaH II, четыре против AaH I, два против LqhIII и ни одного против Ts1. Ни один дизайн, задуманный на несколько токсинов, критерии больше чем по одному не прошёл.

Среди 60 одно-токсиновых дизайнов биндерами оказались 11, то есть 18%. В августовской кампании по 16 другим целям, которую Adaptyv Bio описывала у себя, из 1 320 дизайнов связались 354, в среднем 26,8%, и только одна цель не дала ни одного биндера.

Два самых прочных дизайна, Cn2-B1 и Cn2-B2, работают против Cn2 - токсина мексиканского скорпиона Centruroides noxius - и в обеих лабораториях дали единицы наномолей. В отчёте KD для Cn2-B1 приведён как примерно 3,1 нМ у Adaptyv Bio и 1,7 нМ у Twist Bioscience, причём обе оценки - верхние границы: подгонка ограничивает KD сверху, а не фиксирует его. Антитела и нанотела против Cn2 или AaH II, которые уже защищали мышей, идут с 0,11-0,70 нМ.

Единственный результат за пределами самого связывания - конкуренция. Если в присутствии одной молекулы вторая садится на цель хуже, они, вероятно, борются за один и тот же участок. Биндеры против Cn2 конкурируют с антителом LR, которое нейтрализует Cn2 у мышей, а участок LR накрывает ту часть токсина, которой он цепляется к натриевому каналу. Из этого Anthropic выводит, что её биндеры, вероятно, тоже будут нейтрализовать Cn2.

Авторский разбор

Что мы проверили

21 октября мы прочитали технический отчёт целиком и сверили его с постом: критерии связывания, таблицы хитов, контроли и список ограничений.

Как мы проверяем истории

Планка «хит в обеих лабораториях» описывает не все 17 дизайнов, а 15: LqhIII мерила только Adaptyv Bio, и два биндера против него прошли по отдельному правилу для одной лаборатории - в посте это сноска. Второй контроль на прилипание в четыре критерия не входил, и самый прочный дизайн кампании его не прошёл. А попытка сделать биндер на несколько токсинов дала не ноль: шесть из 17 биндеров выросли как раз из таких дизайнов, просто ни один не прошёл критерии больше чем по одному токсину.

• Овальбумин, белок куриного яйца, не родственный токсинам: Adaptyv Bio прогнала его на 52 дизайнах. Хитами против него стали Cn2-B1 и AaHI-B4; с этим требованием из 17 биндеров осталось бы 15. Cn2-B1 дал против овальбумина 13% теоретического Rmax при 1 мкМ и без выхода на плато - уровень, который против Cn2 он показывал при примерно 0,5 нМ, концентрации примерно в 2 000 раз ниже.
• Доля биндеров падает с числом целей: 11 из 60 одно-токсиновых (18%), 5 из 60 двойных β и тройных α (8%) и 1 из 91 дизайна на все пять - сшивка AaHI-B3. Три из пяти биндеров среди двойных и тройных выросли из каркасов, сделанных сначала против родственного токсина.
• Числа, с которым сравнивают эти 18%, в документах нет: отчёт говорит только о согласии с прежними кампаниями Anthropic, а разброс по токсинам приводит отдельно - от 0 до 42%.

Что нужно до лекарства

Связывание показано только против рекомбинантных токсинов, наработанных в лаборатории по гену, а не выделенных из яда. Нейтрализацию, по отчёту, не проверяли ни в функциональных тестах, ни на животных.

Внешние эксперты, которым Anthropic отдала работу на отзыв, назвали её обещающим первым шагом. Сусана Васкес Торрес из CNIO: «Спроектировать биндер почти к любой цели уже не кажется нереальным. Очень прочные биндеры мы получаем удивительно быстро, и связывание само по себе перестало быть главным узким местом». Тимоти Дженкинс из Технического университета Дании считает кампанию против пяти токсинов параллельно и за считаные дни показательным примером сдвига в поиске терапий, особенно для забытых болезней, которым низкие коммерческие стимулы оставили мало инноваций.

В списке ограничений отчёта есть и такое: базовую линию - экспертов или фиксированный пайплайн с теми же инструментами и ресурсами - не прогоняли, поэтому вклад Claude нельзя отделить от вклада его инструментов, а время и стоимость кампании не с чем сравнить. Там же сказано, что отдельно оптимизированные модели с упрощённым промптом и одной GPU за 24 часа дают сопоставимые оценки in silico с кампаниями, которые тратили примерно в 100 раз больше GPU-часов; сравнение держится только на расчётных оценках, и в этой кампании ни того, ни другого не применяли.

Все 211 дизайнов и данные по ним Adaptyv Bio и Anthropic выложили на открытой платформе Proteinbase. Если двигать к терапии один дизайн, у Anthropic это скорее всего Cn2-B1: сначала подтвердить, что он связывает токсин, выделенный из яда, потом patch-clamp - запись тока через натриевые каналы, чтобы увидеть, мешает ли биндер токсину, - затем мыши.